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Title:
DEVICE FOR A SATELLITE LASER DISTANCE MEASUREMENT, AND METHOD FOR A SATELLITE LASER DISTANCE MEASUREMENT
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2021/063775
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a device (500) for a satellite laser distance measurement, comprising a base segment (520) and an optical segment (522) which is supported by the base segment (520) and has a telescope mounting (510) with an azimuth axis (506) and an elevation axis (508), wherein a transmitter telescope (120), a receiving telescope (200), and a laser (100) coupled to the transmitter telescope (120) are arranged on the telescope mounting (510). The invention also relates to a method for operating such a device (500).

Inventors:
WAGNER, Paul (Stuttgart, DE)
HAMPF, Daniel (Stuttgart, DE)
Application Number:
EP2020/076612
Publication Date:
April 08, 2021
Filing Date:
September 23, 2020
Export Citation:
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Assignee:
DEUTSCHES ZENTRUM FÜR LUFT- UND RAUMFAHRT E.V. (Köln, DE)
International Classes:
G01S17/933; B64G1/36; G01S7/481; G01S17/88
Attorney, Agent or Firm:
KAUFMANN, Ursula (Pohlmann Kaufmann Partnerschaft mb, Gaisburgstraße 21 Stuttgart, DE)
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Claims:
Ansprüche

1. Vorrichtung (500) zur Satelliten-Laserentfernungsmessung, mit einem Basissegment (520) und einem von dem Basissegment (520) gestützten Optiksegment (522), das eine Teleskopmontierung (510) mit Azimutachse (506) und Elevationsachse (508) aufweist, wobei ein Transmitterteleskop (120) und ein Empfangsteleskop (200) sowie ein mit dem Transmitterteleskop (120) gekoppelter Laser (100) an der Teleskopmontierung (510) angeordnet sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Teleskopmontierung (510) einen Drehfuß (507) mit der Azimutachse (506) und eine Drehwelle (509) mit der Elevationsachse (508) aufweist, um welche die Teleskope (120, 200) synchron miteinander und der Laser (100) synchron mit dem Transmitterteleskop (120) schwenkbar sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei sich eine Trägerplatte (124) einer Trägereinheit (518) beabstandet zur Elevationsachse (508) zwischen den zwei Teleskopen (120, 200) erstreckt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei die Trägereinheit (518) die Trägerplatte (124) umfasst, die parallel zur Elevationsachse (508) angeordnet ist, sowie zumindest eine weitere Trägerplatte (220), die parallel zur Azimutachse (506) angeordnet ist, wobei die beiden Trägerplatten (124, 220) starr miteinander verbunden sind, insbesondere wobei das Transmitterteleskop (120) und die weitere Trägerplatte (220) miteinander verbunden sind.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Teleskopmontierung (510) eine an das Transmitterteleskop (120) gekoppelte Transmitteroptik (150) und eine an das Empfangsteleskop (200) gekoppelte Empfangsoptik (250) aufweist, insbesondere wobei die Transmitteroptik (150) an der einen Trägerplatte (124) befestigt ist und die Empfangsoptik (250) an der weiteren Trägerplatte (220) befestigt ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei die Transmitteroptik (150) eine oder mehrere der folgenden Komponenten umfasst

(i) eine Laserenergie-Regeleinheit (104), insbesondere mit einer Strahlabschwächungseinheit;

(ii) eine Laserenergie-Kontrolleinheit (106), insbesondere mit einem Strahlteiler (105) und/oder einem Messkopf für Energie und/oder Leistung;

(iii) eine Blende (110), insbesondere mechanische Blende (110);

(iv) eine variable Strahlaufweitungseinheit (112);

(v) eine Strahlrichtungsregelungseinheit (114); insbesondere ein beweglicher Spiegel (114);

(vi) einen Strahlteiler (105);

(vii) eine Transmitter-Kamera (116), insbesondere eine Transmitter- Kamera (116) mit abbildender Optik;

(viii) eine Startdiode (102)

(ix) wenigstens einen Spiegel (107, 108, 111 );

(x) wenigstens einen Retroreflektor (122).

7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, wobei die Empfangsoptik (250) eine oder mehrere der folgenden Komponenten umfasst

(i) einen Strahlteiler (206) zur Aufteilung der vom Empfangsteleskop (200) empfangenen Strahlung in sichtbares Licht und infrarotes Licht;

(ii) eine Tracking-Kamera (210) im Fokus des Empfangsteleskops

(200);

(iii) eine Relais-Optikeinheit (212) , die als weitere Abbildungsoptik vorgesehen ist;

(iv) einen Bandpassfilter (214);

(v) einen Detektor (218) und/oder eine optische Faser (218) zum Zuführen der empfangenen Signale. 8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der

Laser (100) Strahlung im nahen Infrarot, insbesondere IR-B mit einer Wellenlänge zwischen 1500 nm bis 1750 nm aufweist.

9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche wobei der Laser (100) Laserpulse mit einer Pulslänge im Pikosekundenbereich bis Nanosekundenbereich, insbesondere im Bereich von 0,5 Pikosekunden bis 100 Nanosekunden, mit einer Pulsenergie von 1 pJ bis 1 mJ aufweist. 10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das

Basissegment (520) eine oder mehrere der folgenden Komponenten beinhaltet

(i) einen Steuerrechner (512);

(ii) Steuerelektronik (514), insbesondere mit einem Ereignis- Zeitmesser und einem Trigger-Generator.

11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Optiksegment (522) wenigstens eine Abdeckung (530, 532, 534, 536) aufweist; insbesondere wobei das Transmitterteleskop (120), das Empfangsteleskop (200) und die Trägerplatte (124) separate

Abdeckungen (530, 532, 534) aufweisen.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei ein Innenraum der wenigstens einen Abdeckung (530, 532, 534, 536) des Optiksegments (522) klimatisiert ist, insbesondere wobei eine Klimaregeleinheit in dem

Basissegment (520) angeordnet ist.

13. Verfahren zur Satelliten-Laserentfernungsmessung mit einer Vorrichtung (500), die ein Basissegment (520) und ein von dem Basissegment (520) gestütztes Optiksegment (522) umfasst, das eine

Teleskopmontierung (510) aufweist, mit Azimutachse (506) und Elevationsachse (508), wobei ein Transmitterteleskop (120) und ein Empfangsteleskop (200) sowie ein mit dem Transmitterteleskop (120) gekoppelter Laser (100) an der Teleskopmontierung (510) angeordnet sind, insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Laser (100) bei einer Bewegung des Transmitterteleskops (120) synchron mit dem Transmitterteleskop (120) mitbewegt wird.

14. Verfahren nach Anspruch 13, wobei eine Entfernungsmessung eines

Objekts erfolgt mit den Schritten

(i) Kalibration einer Tracking-Kamera (210) der Empfangsoptik (250);

(ii) Vermessung eines Bildes des zu vermessenden Objekts auf dem Kamerabild der Tracking-Kamera (210);

(iii) Ausrichtung der Teleskopmontierung (510) anhand von aus der Vermessung des Bildes umgerechneten Koordinaten;

(iv) Wiederholen der Schritte (ii) und (iii) solange die umgerechneten Koordinaten eine vorgegebene Abweichung von einer Soll-Position aufweisen.

15. Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, wobei eine Ausrichtung eines

Laserstrahls (130) auf ein Objekt erfolgt mit den Schritten

(i) Überprüfen der Fokussierung der Transmitter-Kamera (116) auf den Laserstrahl (130) und Bestimmen der Fokus-Position des durch einen Retroreflektor (122) zurückreflektierten Laserstrahls (130) in der Transmitter-Kamera (116);

(ii) Bestimmen einer Motorposition in Relation zur Fokus-Position;

(iii) Beobachten einer Position wenigstens eines Objekts und Bestimmen der Objektposition des abgebildeten Objekts in der Transmitter-Kamera (116) nach Entfernen des Retroreflektors (122) und temporärem Blockieren des Laserstrahls (130);

(iv) Umrechnen der Objektposition in die Motorenposition.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 15, wobei eine

Objektentfernung bestimmt wird mit den Schritten

(i) Bestimmen eines Zeitpunkts einer Emission eines Laserpulses auf ein Objekt durch einen Ereignis-Zeitmesser;

(ii) Bestimmen eines Zeitpunkts bei Detektion eines Photons, insbesondere des vom zu vermessenden Objekt zurückreflektierten Laserpulses durch einen zugeordneten Detektor (218);

(iii) Übertragen der Zeitpunkte auf eine Auswerteeinheit, insbesondere Steuerrechner (512);

(iv) Korrelation der Messwerte von Emission und Detektion.

17. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 16, wobei eine

Datenauswertung erfolgt mit den Schritten

(i) Kalibration der Vorrichtung (500) mittels Entfernungsmessung zu einem Objekt mit bekannter Entfernung;

(ii) Korrelation von Zeitpunkten des Aussendens von Laserpulsen und des Empfangene von Signalen;

(iii) Vergleichen einer erwarteten Laufzeit zu einem zu untersuchenden Objekt zu einer daran gemessenen Laufzeit;

(iv) Extrahieren von korrelierten Daten;

(v) Mittelung der Entfernungsmessungen an dem zu untersuchenden Objekt.

Description:
Beschreibung Titel

Vorrichtung zur Satelliten-Laserentfernungsmessung und Verfahren zur Satelliten-Laserentfernungsmessung Stand der Technik

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Satelliten- Laserentfernungsmessung sowie ein Verfahren zur Satelliten- Laserentfernungsmessung.

Die Technik der Satelliten-Laserentfernungsmessung (SLR) hat sich von einem geodätischen Werkzeug zu einem weit verbreiteten Missions- Unterstützungsinstrument entwickelt. Derzeit sind etwa achtzig Satellitenmissionen auf kontinuierliche Laserentfernungsmessungs-Daten angewiesen, um genaue Positionsinformationen zu erhalten, darunter mehrere Erdbeobachtungssatelliten und viele Navigationssatelliten. Bei noch mehr Satelliten wurden SLR-Messungen in ihrer frühen Orbitphase verwendet, um ihre On-Board-Navigation zu kalibrieren oder zu verifizieren. In Zukunft könnte die Nachfrage nach Satelliten- Laserentfernungsmessungen weiter steigen, da immer mehr Betreiber von

Kleinsatelliten oder sogar die vorgeschlagenen Mega-Konstellationen das Potenzial dieser Technik erkennen, zentimetergenaue Orbitinformationen während und auch nach der Mission zu erhalten. An Bord der Satelliten wird nur ein kleiner und leichter Retroreflektor benötigt. Vor Ort auf der Erde steht ein weltweites Netzwerk von rund vierzig Stationen zur Ortung zur Verfügung (International Laser Ranging Service, ILRS). Derzeit enthält die ILRS-Tracking-Liste etwa dreißig Missionen bei niedriger Umlaufbahn (LEO) und etwa fünfzig Ziele auf höheren Umlaufbahnen von 19.000 bis 24.000 km Höhe, meist GNSS-Satelliten („Global Navigation Satellite System“). Typischerweise erreicht eine gute SLR-Station heute eine Genauigkeit von ca. 1 cm in der

Entfernungsmessung und ist in der Lage, Tag und Nacht zu arbeiten.

Allerdings stoßen viele bestehende ILRS-Stationen in Bezug auf die Anzahl der beobachteten Satelliten an ihre Grenzen. Darüber hinaus ist die weltweite Abdeckung ziemlich inhomogen, mit vielen Stationen in

Europa und Asien, nur wenigen in Afrika und Amerika und keiner in sehr hohen nördlichen und südlichen Breitengraden. Einige neue Stationen sind im Bau, weitere sind weltweit in Planung. Diese Stationen sind in eigene Gebäude integriert, die oft eine Sternwarte und angrenzende Laborräume belegen. Sowohl die Investitionen für den Bau und die

Installationen als auch die Betriebskosten sind erheblich und stellen ein ernsthaftes Hindernis für den Ausbau des Netzwerks dar.

In der Veröffentlichung von F. Pierron et al. „Status and new Capabilities of the French Transportable Laser Ranging Station”, Proceedings 11 th

International Workshop on Laser Ranging, Deggendorf, Deutschland, 21.- 25. September 1998, ist ein transportables System mit einem Gesamtgewicht von 300 kg in 8 Containern beschrieben.

Offenbarung der Erfindung

Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine kostengünstige Vorrichtung zur Satelliten-Laserentfernungsmessung zu schaffen.

Eine weitere Aufgabe ist es, ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Vorrichtung anzugeben. Die Aufgaben werden durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Günstige Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen, der Beschreibung und der Zeichnung.

Es wird eine Vorrichtung zur Satelliten-Laserentfernungsmessung vorgeschlagen, mit einem Basissegment und einem von dem Basissegment gestützten Optiksegment. Das Optiksegment weist eine Teleskopmontierung mit Azimutachse und Elevationsachse auf. An der Teleskopmontierung ist ein Transmitterteleskop, ein Empfangsteleskop sowie ein mit dem Transmitterteleskop gekoppelter Laser angeordnet.

Das Empfangsteleskop kann beispielsweise ein Newton-Teleskop mit einem Aperturdurchmesser von 20 cm sein.

Durch die Anordnung des Lasers auf der Teleskopmontierung kann die Strahlführung zwischen Laser und Transmitterteleskop außerhalb der Drehachsen vorgesehen sein. Vorteilhaft kann durch diese Anordnung des Lasers an der Teleskopmontierung eine teure und aufwändige Coude- Strahlführung entfallen, bei welcher eine Strahldurchführung für den Laserstrahl durch die Drehachsen der Teleskopmontierung geführt werden muss. So kann die Teleskopmontierung als auch die Gesamtkonstruktion in ihrer Baugröße und in ihrem Gewicht erheblich verkleinert werden. Hierdurch können die Kosten für eine solche Vorrichtung deutlich gesenkt werden, da eine handelsübliche Teleskopmontierung verwendet werden kann.

Kleine, leistungsstarke und robuste Laser ermöglichen es, den Laser auf der Teleskopmontierung zu platzieren. Laser mit relativ niedrigen Pulsenergien und hohen Wiederholraten können verwendet werden, die bei gleicher mittlerer Leistung kleiner und kostengünstiger sind als die bei der Satelliten-Entfernungsmessung üblicherweise eingesetzten Hochenergielaser. Vorteilhaft kann die Vorrichtung transportabel ausgeführt sein. Die Abmessungen und das Gewicht erlauben es, die Vorrichtung an einem Ort zu fertigen und an einen anderen Ort zu transportieren. Daher kann vorteilhaft darauf verzichtet werden, die Teleskopmontierung, wie sonst üblich, auf einem Fundament zu betreiben. Stattdessen kann jegliche Technik der Vorrichtung in der transportablen Vorrichtung montiert sein. Etwaige daraus resultierende Ungenauigkeiten können durch ein geeignetes Verfahren, wie durch ein so genanntes Closed-Loop-Tracking und die Erstellung eines so genannten Pointing-Modells, kompensiert werden.

Die Vorrichtung kann modular aufgebaut sein, um kundenspezifische Anforderungen zu erfüllen. Die komplette Vorrichtung kann nur einen minimalen Satz leicht austauschbarer Komponenten enthalten, so dass die Wartung vor Ort erleichtert wird. Mit Vorteil sind die verwendeten Komponenten in der Vorrichtung kommerziell erhältliche Komponenten. Die Vorrichtung kann für unterschiedliche Anforderungen praktisch ohne weiteren Entwicklungsaufwand angepasst werden.

Der gesamte Aufbau, einschließlich der gesamten Steuerungs- und Datenerfassungselektronik, kann in einem kleinen Behälter, beispielsweise einem Aluminiumbehälter untergebracht sein. Günstige Abmessungen sind beispielsweise 1,80m x 1,20m x 1,60m.

Das Basissegment trägt die Teleskopmontierung und ist entsprechend stabil und verwindungssteif ausgeführt. Steuerelektronik und Steuerrechner können vor Wettereinflüssen geschützt und temperaturkontrolliert, bzw. klimatisiert sein. Vorteilhaft kann die Steuerungssoftware dazu ausgelegt sein, die Vorrichtung praktisch vollständig automatisiert zu betreiben, insbesondere die Steuerung der Hardwarekomponenten in der Vorrichtung. Dies erlaubt der Vorrichtung, von der Aufzeichnung der Wetterlage, über die

Messplanung, Ansteuerung der Teleskopmontierung, dem Aufnehmen der Bilder, dem Ansteuern des Lasers, der Strahlausrichtung, der Aufnahme der Entfernungsdaten und der Auswertung der Entfernungsdaten und Bilder alle erforderlichen Prozessschritte selbstständig durchzuführen. Der Bedienungs- und Wartungsaufwand kann vorteilhaft verringert werden.

Auch Korrekturen mit dem Pointing-Modell oder dem Closed-Loop- Tracking können automatisch durchgeführt werden.

Nach einer günstigen Ausgestaltung der Vorrichtung kann die Teleskopmontierung einen Drehfuß mit der Azimutachse und eine

Drehwelle mit der Elevationsachse aufweisen, um welche die Teleskope synchron miteinander und der Laser synchron mit dem

Transmitterteleskop schwenkbar sind. Der Laser kann daher vorteilhaft an der Gegengewichtsachse des Empfangsteleskops, nämlich der Elevationsachse, angeordnet werden, wodurch die Teleskopmontierung gewichtsmäßig austariert werden kann.

Vorteilhaft können Objekte wie Satelliten und Raketenkörper mit kleinen Retroreflektoren ausgestattet sein. Solche Reflektoren sind in der Regel kleiner als 20 mm x 20 mm, wiegen nur wenige Gramm und benötigen keine Energie. Die Entfernungsmessung zu diesen Objekten kann durch die erfindungsgemäße Vorrichtung eine Routineaufgabe für jede bestehende oder zukünftige SLR-Station sein. Die Entfernung zu einem Satelliten kann mit einer Genauigkeit im Zentimeterbereich bestimmt werden, und seine Trajektorie kann in der Regel mit Unsicherheiten von wenigen Metern vorhergesagt werden. Zusätzlich kann bei Verwendung mehrerer Retroreflektoren die Ausrichtung des Satelliten mit einer Auflösung von bis zu 1 Grad bestimmt werden. Während der Lebensdauer einer Mission kann dies viele positionsempfindliche Aufgaben unterstützen, die ansonsten schwere, sperrige und energieaufwändige On-Board-Positionssensoren erfordern könnten.

Nach einer günstigen Ausgestaltung der Vorrichtung kann sich eine Trägerplatte einer Trägereinheit beabstandet zur Elevationsachse zwischen den zwei Teleskopen erstrecken. Insbesondere kann die

Trägereinheit die Trägerplatte umfassen, die parallel zur Elevationsachse angeordnet ist, sowie zumindest eine weitere Trägerplatte, die parallel zur Azimutachse angeordnet ist. Die beiden Trägerplatten können günstigerweise starr miteinander verbunden sein, insbesondere über ein oder mehrere Winkelelemente. Das Transmitterteleskop und die weitere

Trägerplatte können miteinander verbunden sein. Die starre Trägereinheit stabilisiert den Aufbau auf der Teleskopmontierung und bietet eine stabile Positionierung der Komponenten. Vorteilhaft können die Trägerplatten in der Art eines Steckbretts, auch als Breadboard bekannt, ausgeführt sein. Damit sind eine flexible Anordnung und Ausrichtung der Komponenten auf der jeweiligen Trägerplatte sowie eine Modularisierung möglich.

Nach einer günstigen Ausgestaltung der Vorrichtung kann die Teleskopmontierung eine an das Transmitterteleskop gekoppelte Transmitteroptik und eine an das Empfangsteleskop gekoppelte

Empfangsoptik aufweisen. Insbesondere kann die Transmitteroptik an der einen Trägerplatte befestigt sein und die Empfangsoptik an der weiteren Trägerplatte befestigt sein. Dies erleichtert den modularen Aufbau der Vorrichtung. Nach einer günstigen Ausgestaltung der Vorrichtung kann die Transmitteroptik eine oder mehrere der folgenden Komponenten umfassen: (i) eine Laserenergie-Regeleinheit, insbesondere mit einer Strahlabschwächungseinheit; (ii) eine Laserenergie-Kontrolleinheit, insbesondere mit einem Strahlteiler und/oder einem Messkopf für Energie und/oder Leistung; (iii) eine Blende, insbesondere eine mechanische Blende; (iv) eine variable Strahlaufweitungseinheit; (v) eine Strahlrichtungsregelungseinheit; insbesondere ein beweglicher Spiegel; (vi) einen Strahlteiler; (vii) eine Transmitter-Kamera, insbesondere eine

Transmitter-Kamera mit abbildender Optik; (viii) eine Startdiode, (ix) wenigstens einen Spiegel; (x) wenigstens einen Retroreflektor.

Die Komponenten können kompakt auf einer der Trägerplatten der Trägereinheit montiert sein. Die Transmitteroptik dient zur Aufweitung und

Kollimation des Laserstrahls. Günstig ist ein Durchmesser von mindestens 30 mm, beispielsweise höchstens 100 mm. Ferner kann eine Energieregelung erfolgen und eine Kontrolle der Laserpulsenergie erfolgen.

Nach einer günstigen Ausgestaltung der Vorrichtung kann die Empfangsoptik eine oder mehrere der folgenden Komponenten umfassen: (i) einen Strahlteiler zur Aufteilung der vom Empfangsteleskop empfangenen Strahlung in sichtbares Licht und infrarotes Licht; (ii) eine Tracking-Kamera im Fokus des Empfangsteleskops; (iii) eine Relais-

Optikeinheit, die als weitere Abbildungsoptik vorgesehen ist; (iv) einen Bandpassfilter; (v) einen Detektor und/oder eine optische Faser zum Zuführen der empfangenen Signale. In der Empfangsoptik kann die vom Empfangsteleskop empfangene

Strahlung in das sichtbare Spektrum und das infrarote Spektrum aufgeteilt werden. Nach einer günstigen Ausgestaltung der Vorrichtung kann der Laser Strahlung im nahen Infrarot (NIR), insbesondere IR-B mit einer Wellenlänge zwischen 1500 nm bis 1750 nm aufweisen. Insbesondere kann der Laser der Laserklasse I nach DIN EN 60825-1 aus dem Jahr

2004 zugeordnet sein, nach der die zugängliche Laserstrahlung unter vernünftigerweise vorhersehbaren Bedingungen ungefährlich ist, insbesondere ungefährlich für das Auge, solange der Querschnitt nicht durch optische Instrumente (Lupen, Linsen, Teleskope) verkleinert wird Daher kann die Vorrichtung ohne diesbezügliche Beschränkungen an beliebigen Standorten in der Öffentlichkeit aufgestellt werden.

Nach einer günstigen Ausgestaltung der Vorrichtung kann der Laser Laserpulse mit einer Pulslänge im Pikosekundenbereich bis Nanosekundenbereich, insbesondere im Bereich von 0,5 Pikosekunden bis 100 Nanosekunden, mit einer Pulsenergie von 1 pJ bis 1 mJ aufweisen. Vorteilhaft sind diodengepumpte Festkörperlaser.

Vorteilhaft ist eine hohe Pulswiederholfrequenz, um viele Messwerte aufnehmen zu können. Eine Pulswiederholfrequenz sehr viel größer als 10 kHz, insbesondere größer als 30 kHz ist vorteilhaft.

Nach einer günstigen Ausgestaltung der Vorrichtung kann das Basissegment eine oder mehrere der folgenden Komponenten beinhalten: (i) einen Steuerrechner; (ii) eine Steuerelektronik, insbesondere mit einem Ereignis-Zeitmesser und einem Trigger-Generator. Vorteilhaft kann der Steuerrechner jegliche Hardware, wie etwa Laser, Teleskopmontierung, Kameras, Detektoren, Sensoren, Laserstrahlrichtung, Laserenergie steuern. Vorteilhaft besitzt der Steuerrechner eine Netzwerkverbindung zur Fernsteuerung der Vorrichtung.

Nach einer günstigen Ausgestaltung der Vorrichtung kann das Optiksegment wenigstens eine Abdeckung aufweisen. Insbesondere können das Transmitterteleskop, das Empfangsteleskop und die Trägereinheit separate Abdeckungen aufweisen. Eine separate

Abdeckung der Teleskope und der Trägereinheit vermindert eine Kontamination der Komponenten, falls einzelne Komponenten zu Wartungszwecken freigelegt werden müssen. Nach einer günstigen Ausgestaltung der Vorrichtung kann ein Innenraum der wenigstens einen Abdeckung des Optiksegments klimatisiert sein. Insbesondere kann eine Klimaregeleinheit in dem Basissegment angeordnet sein. Probleme mit Feuchtigkeit oder starke Temperaturschwankungen können vermieden werden.

Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Betreiben einer erfindungsgemäßen Vorrichtung vorgeschlagen. Das Verfahren kann zur Satelliten-Laserentfernungsmessung mit einer Vorrichtung dienen. Die Vorrichtung umfasst ein Basissegment und ein von dem Basissegment gestütztes Optiksegment, das eine

Teleskopmontierung aufweist, mit Azimutachse und Elevationsachse, wobei ein Transmitterteleskop und ein Empfangsteleskop sowie ein mit dem Transmitterteleskop gekoppelter Laser an der Teleskopmontierung angeordnet sind. Dabei wird der Laser bei einer Bewegung des Transmitterteleskops synchron mit dem Transmitterteleskop mitbewegt. Durch das synchrone Mitbewegen des Lasers mit dem

Transmitterteleskop kann eine stabile Übertragung des Laserpulses ohne aufwendige variable Strahlführung erfolgen. Dadurch lässt sich Gewicht und Bauraum der Vorrichtung reduzieren. Außerdem kann die Fehleranfälligkeit des Systems auf diese Weise reduziert werden.

Nach einer günstigen Ausgestaltung des Verfahrens kann eine Entfernungsmessung eines Objekts erfolgen mit den Schritten: (i) Kalibration einer Tracking-Kamera der Empfangsoptik; (ii) Vermessung der Position des zu vermessenden Objekts auf dem Kamerabild der

Tracking-Kamera; (iii) Ausrichtung der Teleskopmontierung anhand von aus der Vermessung des Bildes umgerechneten Koordinaten; (iv) Wiederholen der Schritte (ii) und (iii) solange die umgerechneten Koordinaten eine vorgegebene Abweichung von einer Soll-Position aufweisen. Durch diese Prozedur kann eine sehr genaue Ausrichtung des

Empfangsteleskops auf das zu vermessende Objekt auf günstige Weise erreicht werden.

Nach einer günstigen Ausgestaltung des Verfahrens kann eine Ausrichtung eines Laserstrahls auf ein Objekt erfolgen mit den Schritten:

(i) Überprüfen der Fokussierung der Transmitter-Kamera auf den Laserstrahl und Bestimmen der Fokus-Position des durch einen Retroreflektor zurückreflektierten Laserstrahls in der Transmitter-Kamera;

(ii) Bestimmen einer Motorposition in Relation zur Fokus-Position; (iii) Beobachten einer Position wenigstens eines Objekts und Bestimmen der

Objektposition des abgebildeten Objekts in der Transmitter-Kamera nach Entfernen des Retroreflektors und temporärem Blockieren des Laserstrahls; (iv) Umrechnen der Objektposition in die Motorenposition. Vorteilhaft kann so bestimmt werden, welche Motorposition mit welcher Kameraposition korreliert. Beim Überprüfen der Fokussierung der Transmitter-Kamera wird wenigstens ein Retroreflektor vor der Ausgangsapertur des Transmitterteleskops platziert und wird nach der Kalibrierungsprozedur entfernt.

Nach einer günstigen Ausgestaltung des Verfahrens kann eine

Objektentfernung bestimmt werden mit den Schritten: (i) Bestimmen eines Zeitpunkts einer Emission eines Laserpulses auf ein Objekt durch einen Ereignis-Zeitmesser; (ii) Bestimmen eines Zeitpunkts bei Detektion eines Photons, insbesondere des vom zu vermessenden Objekt zurückreflektierten Laserpulses durch einen zugeordneten Detektor; (iii) Übertragen der Zeitpunkte auf eine Auswerteeinheit, insbesondere einen Steuerrechner; (iv) Korrelation der Messwerte von Emission und Detektion. Auf diese Weise kann eine Objektentfernung mit großer Genauigkeit bestimmt werden.

Nach einer günstigen Ausgestaltung des Verfahrens kann eine

Datenauswertung erfolgen mit den Schritten: (i) Kalibration der Vorrichtung mittels Entfernungsmessung zu einem Objekt mit bekannter Entfernung; (ii) Korrelation von Zeitpunkten des Aussendens von

Laserpulsen und des Empfangene von Signalen; (iii) Vergleichen einer erwarteten Laufzeit zu einem zu untersuchenden Objekt zu einer daran gemessenen Laufzeit; (iv) Extrahieren von korrelierten Daten; (v) Mittelung der Entfernungsmessungen an dem zu untersuchenden Objekt. Auf diese Weise kann eine Objektentfernung mit großer Genauigkeit bestimmt werden. Eine Steuerungssoftware kann so in der Lage sein, vollständig automatisiert Daten aufzunehmen. Dies beinhaltet jegliche Steuerung der Hardwarekomponenten im System. Dadurch kann das System von der Aufzeichnung der Wetterlage, über die Messplanung, Ansteuerung der Montierung, Aufnehmen der Bilder, Ansteuern des Lasers, Strahlausrichtung, Aufnahme der Entfernungsdaten und Auswertung der Entfernungsdaten und Bilder alle erforderlichen Prozessschritte selbständig durchführen, sodass keine zusätzliche Bedienung notwendig ist. Mögliche Korrekturen mit Pointing-Modell, oder Closed-Loop-Tracking können ebenfalls automatisch durchgeführt werden.

Die Steuerungssoftware kann so modular aufgebaut sein und weitestgehend Open Source Software verwenden. Dadurch kann es jedem Nutzer ermöglicht werden, das System nach seinen Bedürfnissen selbstständig zu erweitern.

Zeichnung

Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In den Figuren sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Die Figuren, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.

Es zeigen beispielhaft:

Fig. 1 einen schematischen Aufbau von wesentlichen Komponenten einer Transmitteroptik einer Vorrichtung zur Satelliten- Laserentfernungsmessung nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung; Fig. 2 einen schematischen Aufbau von wesentlichen Komponenten einer Empfangsoptik einer Vorrichtung zur Satelliten- Laserentfernungsmessung nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 3 eine schematische Seitenansicht einer Vorrichtung zur Satelliten-Laserentfernungsmessung nach einem

Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 4 eine Draufsicht auf die Transmitteroptik der Vorrichtung zur Satelliten-Laserentfernungsmessung nach Figur 3;

Fig. 5 eine Draufsicht auf die Empfangsoptik sowie den Laser der Vorrichtung zur Satelliten-Laserentfernungsmessung nach Figur 3;

Fig. 6 eine isometrische Darstellung der Empfangsoptik mit Teleskopmontierung;

Fig. 7 eine isometrische Darstellung der Vorrichtung zur Satelliten- Laserentfernungsmessung nach Figur 3 mit Abdeckung;

Fig. 8 eine isometrische Darstellung von Transmitteroptik und Empfangsoptik mit Teleskopmontierung nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 9 ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur Entfernungsmessung eines Objekts nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung; Fig. 10 ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur Ausrichtung eines Laserstrahls auf ein Objekt nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung; Fig. 11 ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur Bestimmung einer Objektentfernung nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung; und

Fig. 12 ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur Datenauswertung nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Ausführungsformen der Erfindung In den Figuren sind gleichartige oder gleichwirkende Komponenten mit gleichen Bezugszeichen beziffert. Die Figuren zeigen lediglich Beispiele und sind nicht beschränkend zu verstehen.

Im Folgenden verwendete Richtungsterminologie mit Begriffen wie „links“, „rechts“, „oben“, „unten“, „davor“ „dahinter“, „danach“ und dergleichen dient lediglich dem besseren Verständnis der Figuren und soll in keinem Fall eine Beschränkung der Allgemeinheit darstellen. Die dargestellten Komponenten und Elemente, deren Auslegung und Verwendung können im Sinne der Überlegungen eines Fachmanns variieren und an die jeweiligen Anwendungen angepasst werden.

Figur 1 zeigt einen schematischen Aufbau von wesentlichen Komponenten einer Transmitteroptik 150 einer Vorrichtung 500 zur Satelliten-Laserentfernungsmessung nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Vorrichtung kann vorteilhaft mobil sein und für einen Transport auf der Straße geeignet sein. Die Transmitteroptik 150 besteht aus dem Laser 100 als eigentlicher Laserstrahlungsquelle, der Transmittereinheit mit verschiedenen Komponenten zur Strahlaufbereitung sowie dem Transmitterteleskop 120 als finaler Strahlaufweitungseinheit. Im Laser 100 wird ein gepulster Laserstrahl erzeugt, der über einen optionalen Laserkollimator kollimiert werden kann.

Günstige Laser 100 weisen Laserpulse mit einer Pulslänge im Pikosekundenbereich bis Nanosekundenbereich auf, insbesondere im Bereich von 0,5 Pikosekunden bis 100 Nanosekunden, mit einer

Pulsenergie von 1 pJ bis 1 mJ und mit einer Wellenlänge zwischen 1500 nm bis 1750 nm. Vorteilhaft ist eine hohe Pulswiederholfrequenz, um viele Messwerte aufnehmen zu können. Eine Pulswiederholfrequenz sehr viel größer als 10 kHz, insbesondere größer als 30 kHz ist vorteilhaft.

Geeignete, kommerziell erhältliche Laser sind z.B. gepulste Erbium-Faser- Laser mit einer zentralen Wellenlänge von 1550 nm und Pulsenergien bis zu 50 mJ, die beispielsweise von der Firma IPG Photonics Corporation, Oxford, USA, unter der Bezeichnung ELPN 1550 erhältlich sind, mit Pulslängen von 1 bis 100 ns und Pulswiederholraten im Bereich 10 kHz bis 100 MHz. Weiter wird ein gepulster Erbium-Laser im gleichen Wellenlängenbereich unter der Bezeichnung ELPF-10-500-10-R mit einer Pulsenergie bis zu 10 m J, Pulslängen von 500 fs und Pulswiederholraten im Bereich 100 kHz bis 2 MHz angeboten.

Die Transmitteroptik 150 dient zur Aufweitung und Kollimation des Laserstahls, vorzugsweise auf kleiner 100 mm Durchmesser. Weiter dient die Transmitteroptik 150 zur Energieregelung und Kontrolle der Laserpulsenergie, sowie zur Strahlrichtungsregelung und Kontrolle der Laserstrahlrichtung. Die optische Achse des Transmitterteleskops 120 sollte dabei möglichst parallel zu der optischen Achse des Empfangsteleskopes 200 angeordnet sein. Benachbart zum Laser 100 ist eine Startdiode 102 angeordnet, welche eine aufsteigende Flanke des Laserpulses erkennt und an einen Ereignis- Zeitmesser einer Steuerelektronik 514 der Vorrichtung 500 weiterleitet. Durch Vergleich der Flanken von ausgehenden Laserpulsen und der

Flanken von an einem zu verfolgenden Objekt, beispielsweise einem Satelliten, zurückgestrahlten Laserpulsen kann die Entfernung zu dem Objekt bestimmt werden. Die Startdiode 102 muss nur einen sehr geringen Anteil des Laserlichtes zur Pulserkennung empfangen, deshalb reicht Streulicht oder Transmission durch einen imperfekten Spiegel aus.

Zweckmäßigerweise sollte die Diode immer die gleiche Pulsenergie empfangen.

Geeignete, kommerziell erhältliche Ereignis-Zeitmesser sind beispielsweise von der Firma PicoQuant GmbH, Berlin, Deutschland, erhältlich. Mit einem HydraHarp 400 bezeichneten Gerät können Triggerpulsbreiten von 0,5 bis 30 ns mit einer Anstiegsflanke von 2 ns maximal verarbeitet werden. Die erreichte zeitliche Genauigkeit ist dabei kleiner als 12 ps rms. Die maximale Zählrate liegt bei 12,5 x 10 6 Ereignisse/s.

Anschließend durchläuft der Laserstrahl eine Laserenergie-Regeleinheit 104, in welcher eine Regelung der Laserstrahlenergie über einen Strahlabschwächer, der vorzugsweise reflektiv ausgebildet sein kann, stattfindet. Vorteilhaft kann dafür ein Notchfilter in einem über einen

Elektromotor angetriebenen Filterrad eingesetzt werden.

Danach wird die Energie des Laserstrahls in einer Laserenergie- Kontrolleinheit 106 gemessen, welche einen Energie- oder Leistungsmesskopf aufweist. Über einen Strahlteiler 105, beispielsweise als 90:10 oder 99:01 Strahlteiler ausgebildet, wird der Laserpuls in die Laserenergie-Kontrolleinheit 106 ausgekoppelt. Über einen Spiegel 108 wird der Laserstrahl in eine Blende 110, beispielsweise eine mechanische Blende 110, geleitet, mittels welcher der Laserstrahl unterbrochen werden kann.

Optional folgt danach eine variable Strahlaufweitungs- und Fokussierungseinheit 112. Die Strahlaufweitungseinheit 112 ist beispielsweise ein afokales optisches System, welches ein kollimiertes Strahlenbündel als Eingang und Ausgang hat. Dadurch kann Durchmesser und Winkelübersetzung des Laserstrahls geändert werden und wird dabei bestimmt von der Vergrößerung des optischen Systems.

Mittels eines darauf folgenden beweglichen Spiegels 114, welcher über zwei aufeinander senkrecht stehende Achsen motorisch verstellbar ist, kann die Laserstrahlrichtung elektronisch eingestellt werden.

Der darauf folgende IRA/IS Strahlteiler 118 kann Strahlung in infraroten Spektrum, welches zur Entfernungsbestimmung genutzt wird, und Strahlung im sichtbaren Spektrum trennen. Das ausgehende infrarote Laserlicht wird über den Strahlteiler 118 in das Transmitterteleskop 120 zur finalen Strahlaufweitung geleitet. Das Transmitterteleskop 120 bildet unendlich nach unendlich ab.

Einfallendes sichtbares Licht kann aus dem Transmitterteleskop 120 über den Strahlteiler 118 in die Transmitter-Kamera 116 geleitet werden. Die Transmitter-Kamera 116 mit ihrer abbildenden Optik ist auf die Laserwellenlänge fokussiert. Der Bildsensor ist im Brennpunkt der Optik angeordnet.

Retroreflektoren 122 können temporär vor der Austrittsapertur des Transmitterteleskops 120 angeordnet sein. Das Laserlicht wird in die gleiche Richtung zurück reflektiert. Durch den imperfekten IRA/IS Strahlteiler 118 gelangt genügend Licht auf die Transmitter-Kamera 116, auf welche der Laserstrahl fokussiert wird. Durch mehrere Retroreflektoren 122 oder Bewegen des Retroreflektors 122 senkrecht zur optischen Achse, lässt sich überprüfen, ob die Transmitter-Kamera 116 für das Laserlicht fokussiert ist. Der Strahl wird immer als Punkt auf derselben

Position auf der Transmitter-Kamera 116 fokussiert und darf sich nicht bewegen. Bei einer Änderung der Strahlrichtung durch den beweglichen Spiegel 114 kann nun ermittelt werden, welche Strahlrichtung welcher Fokusposition auf der Transmitter-Kamera 116 entspricht.

Figur 2 zeigt einen schematischen Aufbau von wesentlichen Komponenten einer Empfangsoptik 250 einer insbesondere mobilen Vorrichtung 500 zur Satelliten-Laserentfernungsmessung nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Einfallendes Licht 230, welches sowohl den rückgestreuten Laserstrahl als auch sichtbares Licht vom Objekt, das von der Sonne angestrahlt wird, umfasst, wird mittels des Empfangsteleskops 200 über die abbildende Empfangsoptik, beispielsweise den konkav gekrümmten Primärspiegel 202, der insbesondere sphärisch oder parabolisch gekrümmt ausgeführt sein kann, und den Auskoppelspiegel 204 auf einen IRA/IS Strahlteiler 206 geleitet, welcher das sichtbare Spektrum durchlässt. Das Empfangsteleskop 200 ist als abbildendes System ausgebildet. Das sichtbare Licht wird auf eine Trackingkamera 210 geleitet, welche im

Fokus des Empfangsteleskopes 200 angeordnet ist. Die Trackingkamera 210 zeichnet dabei das zu vermessende Objekt auf und vermisst dessen Position relativ zur optischen Achse des Empfangsteleskops 200. Eine geeignete, kommerziell erhältliche Tracking-Kamera wird beispielsweise von der Firma Andor aus der Oxford Instruments Gruppe unter der Bezeichnung ZYLA 5.5 angeboten. Die Kamera weist einen 2560x2160 (5,5 Megapixel) CMOS-Sensor auf und arbeitet mit Ausleseraten von bis zu 560 MHz.

Der infrarote Anteil des einfallenden Lichts wird über den Strahlteiler 206 in eine Relais-Optikeinheit 212 geleitet, welche eine zweite optische

Abbildung vornimmt, um das Gesichtsfeld vor dem folgenden Detektor 218 möglichst groß auszubilden. Die Relais-Optikeinheit 212 kann dabei das einfallende Licht direkt auf den Detektor 218 fokussieren, wenn dieser unmittelbar angeschlossen ist. Alternativ kann die Relais-Optikeinheit 212 das einfallende Licht in eine optische Faser 216 einleiten, welche wiederum das Licht in den Detektor 218 leitet.

In der Relais-Optikeinheit 212 kann zweckmäßigerweise ein Bandpassfilter 214 angeordnet sein. Zum Filtern ungewollter Strahlung kann der Bandpassfilter 214 so ausgebildet sein, dass er nur den

Spektralbereich, den der Laser emittiert, durchlässt und andere Bereiche möglichst gut blockiert. Diese Filterung kann beispielsweise auch in mehreren Schritten vorgenommen werden. Der Detektor 218 kann vorteilhaft als Einzelphotonendetektor ausgebildet sein und dient zum Detektieren der empfangenen Laserpulse.

Geeignete, kommerziell erhältliche Detektoren sind NIR Einzelphoton- Detektoren für den Wellenlängenbereich 900 bis 1700 nm, die beispielsweise unter der Bezeichnung SPD_A_NIR von der Firma Aurea

Technology SAS, Besangon, Frankreich, angeboten werden..

Weitere geeignete, kommerziell erhältliche Detektoren sind Nanowire- Detektoren, die beispielsweise von der Firma ID Quantique SA, Genf, Schweiz, unter der Bezeichnung ID281 erhältlich sind und welche im Wellenlängenbereich von 780 bis 1625 nm arbeiten und Detektionsraten bis zu 50 MHz aufweisen. In Figur 3 ist eine schematische Seitenansicht einer insbesondere mobilen Vorrichtung 500 zur Satelliten-Laserentfernungsmessung nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt.

Der grundlegende Aufbau der Vorrichtung 500 weist ein Basissegment 520 auf, welches ein Optiksegment 522 mit der Teleskopmontierung 510 trägt und deshalb hinreichend stabil und verwindungssteif ausgebildet ist. Weiter sind in dem Basissegment 520 die Steuerelektronik 514 sowie der Steuerrechner 512 angeordnet, welche in dem Basissegment 520 vor

Wettereinflüssen geschützt sind. Optional kann das Innere des Basissegments 520 temperaturkontrolliert ausgebildet und/oder klimatisiert sein. Die Teleskopmontierung 510 weist zwei motorisierte, senkrecht aufeinander stehende Achsen, nämlich einen Drehfuß 507 für die Azimutachse 506 und eine Drehwelle 509 für die Elevationsachse 508 auf und ermöglicht es dadurch, die Ausrichtung von Transmitterteleskop 120 und Empfangsteleskop 200 über den vollständigen Halbraum des Himmels elektronisch gesteuert durchzuführen. Die Teleskopmontierung

510 trägt die Empfangsoptik 250, den Laser 100, das Empfangsteleskop 200, die Transmitteroptik 150 und das Transmitterteleskop 120. Die Komponenten sind auf Trägerplatten 124, 220 einer Trägereinheit 518 montiert, welche an der die Elevationsachse 508 darstellenden Drehwelle 509 montiert ist. Die Trägerplatten 124, 220 sind in den Figuren 4 und 5 mit den entsprechenden Komponenten dargestellt.

Die Trägereinheit 518 umfasst die Trägerplatte 124, die parallel zur Elevationsachse 508 angeordnet ist, sowie zumindest eine weitere Trägerplatte 220, die parallel zur Azimutachse 506 angeordnet ist, wobei die beiden Trägerplatten 124, 220 starr miteinander verbunden sind. Insbesondere sind dabei das Transmitterteleskop 120 und die weitere Trägerplatte 220 miteinander verbunden.

Das Basissegment 520 weist weiter einen Antennenträger 516 auf, an welchem Sensoren und Antennen angeordnet sind. Beispielsweise kann eine Wetterstation mit Sensoren für Wolken, Druck, Luftfeuchtigkeit, Temperatur vorgesehen sein. Weiter können eine GPS-Antenne (GPS = Global Positioning System), und optional eine ADSB-Antenne (ADSB = Automatic Dependent Surveillance) und/oder eine Mobilfunk- Antenne, beispielsweise nach dem LTE-Standard (LTE = Long Term

Evolution), zur Remotesteuerung der Vorrichtung 500 vorgesehen sein.

Das Optiksegment 522 ist vorgesehen, die Komponenten auf der Teleskopmontierung vor Umwelteinflüssen zu schützen sowie optional eine Klimatisierung bereitzustellen. Das Optiksegment 522 kann beispielsweise Sichtfenster aufweisen, damit Licht in das

Empfangsteleskop 200 gelangen sowie Licht vom Transmitterteleskop 120 abgestrahlt und empfangen werden kann. Das Optiksegment 522 kann als ein Teil ausgeführt sein, das alle Komponenten schützen kann oder in mehreren Teilen ausgeführt sein, sodass Empfangsteleskop 200,

Transmitteroptik 150, und Empfangsoptik 250 separat eingehaust und klimatisiert werden können.

Der Steuerrechner 512 steuert Hardwarekomponenten wie Laser 100, Teleskopmontierung 510, Tracking-Kamera 210, Detektoren 218,

Sensoren, Laserstrahl-Richtung, Laserstrahl-Energie und kann eine Netzwerkverbindung zur Fernsteuerung aufweisen.

Die Steuerelektronik 514 weist beispielsweise GPS synchronisierte Zeitserver auf. Die Steuerelektronik 514 umfasst den Ereignis-Zeitmesser, der über hochgenaue GPS-Signale, welche über die PPS (Precise Positioning Service) - Klasse zur Verfügung stehen, mit einer Taktrate von 10MHz synchronisiert wird, und die Zeit bei einem Ereignis aufzeichnet, ausgelöst von der Startdiode 102 und dem Einzelphotonendetektor 218. Die Steuerelektronik 514 kann weiter optional einen LTE-Router zur Fernsteuerung, einen Trigger-Generator zur Steuerung der Laserpulsemission und des Einzelphotonendetektors umfassen.

Geeignete, kommerziell erhältliche Referenzeinheiten für Zeit- und Frequenzsynchronisation auf der Basis von GPS-Signalen bietet beispielsweise die Firma Meinberg Funkuhren, Bad Pyrmont, Deutschland, unter der Bezeichnung RD/GPS an.

Figur 4 zeigt eine Draufsicht auf die Transmitteroptik 150 der insbesondere mobilen Vorrichtung 500 zur Satelliten- Laserentfernungsmessung nach Figur 3.

Auf der Trägerplatte 124 der Transmitteroptik 150 sind die in der Figur 1 dargestellten Komponenten in modularer und platzsparender Weise angeordnet. Der Laserstrahl wird über den Spiegel 103 eingekoppelt und über die Laserenergie-Regeleinheit 104, den Strahlteiler 105, die Laserenergie-Kontrolleinheit 106 zum Spiegel 108 weitergeleitet. Von dort verläuft der Laserstrahl über die Blende 110 zu den Spiegeln 109, 111 und wird über eine optionale variable Strahlaufweitungseinheit 112 zu dem beweglichen Spiegel 114 geleitet. Von dort gelangt der Laserstrahl über den Strahlteiler 118, bzw. die Transmitter-Kamera 116 in das Transmitterteleskop 120.

Figur 5 zeigt eine Draufsicht auf die Empfangsoptik 250 sowie den Laser 100 der insbesondere mobilen Vorrichtung 500 zur Satelliten- Laserentfernungsmessung nach Figur 3.

An der in Betrachtungsrichtung rechten Stirnseite der Trägerplatte 220 ist das Empfangsteleskop 200 mit abgedeckter Apertur montiert. Das empfangene Licht gelangt von dem Empfangsteleskop 200 in den Strahlteiler 206, von dem das sichtbare Spektrum in die Trackingkamera 210 geleitet wird, während das infrarote Spektrum über die Relais- Optikeinheit 212 mit einem optionalen Bandpassfilter 214 in den Detektor 218 geleitet wird.

Auf der Trägerplatte 220 ist weiter der Laser 100 montiert, von welchem das Laserlicht über den Laserkollimator 101 und die Spiegel 107, 103 in die Transmitteroptik 150 geleitet wird, welche auf der senkrecht dazu angeordneten Trägerplatte 124 montiert sind.

In Figur 6 ist eine isometrische Darstellung der Empfangsoptik 250 mit Teleskopmontierung 510 separat dargestellt. Die Anordnung der Trägerplatte 220 mit dem an der Seite montierten Empfangsteleskop 200 auf der Drehwelle 509 der Teleskopmontierung 510 ist deutlich zu erkennen.

Figur 7 zeigt eine isometrische Darstellung der Vorrichtung 500 zur Satelliten-Laserentfernungsmessung nach Figur 3 mit einer Abdeckung 536. Die auf dem Optiksegment 522 angeordnete Abdeckung 536 weist ein Sichtfenster 538 auf, durch welches das Laserlicht ausgestrahlt und empfangen werden kann.

In Figur 8 ist eine isometrische Darstellung von Transmitteroptik 150 und Empfangsoptik 250 mit Teleskopmontierung 510 nach einem weiteren

Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Die Anordnung der einzelnen auf den Trägerplatten 124 und 220 angeordneten Komponenten, Transmitterteleskop 120, Transmitteroptik 150, Empfangsoptik 250, sowie Empfangsteleskop 200 entspricht der bisher dargestellten Anordnung auf der Teleskopmontierung 510. Zusätzlich weist diese Ausführungsform Abdeckungen 530, 532, 534 auf, welche die einzelnen Komponenten vor mechanischer Beschädigung, Wettereinflüssen und vor Streulicht der Laserstrahlung schützen und außerdem bei Bedarf temperieren können. Die Abdeckung 534 der Transmitteroptik 150 ist an der der Trägerplatte 124 gegenüber liegenden Seite offen dargestellt, kann aber ebenso geschlossen ausgebildet sein.

In Figur 9 ist ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur Entfernungsmessung eines Objekts nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. In Schritt S100 wird die Tracking-Kamera 210 der Empfangsoptik 250 kalibriert, gefolgt von Schritt S102, in dem eine Vermessung eines Bildes des zu vermessenden Objekts auf dem Kamerabild der Tracking-Kamera 210 erfolgt. Darauf wird in Schritt S104 die Teleskopmontierung 510 anhand von aus der Vermessung des Bildes umgerechneten Koordinaten ausgerichtet. Anschließend werden die Schritte S102 und S104 wiederholt, solange die umgerechneten Koordinaten eine vorgegebene Abweichung von einer Soll-Position nicht unterschreiten.

In Figur 10 ist ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur Ausrichtung eines Laserstrahls auf ein Objekt nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. In Schritt S200 wird die Fokussierung der Transmitter-Kamera 116 auf den Laserstrahl 130 überprüft und die Fokus-Position des durch einen Retroreflektor 122 zurückreflektierten Laserstrahls 130 in der Transmitter-Kamera 116 bestimmt. Anschließend wird in Schritt S202 eine Motorposition in Relation zur Fokus-Position bestimmt. Danach wird in Schritt S204 eine Position wenigstens eines Objekts beobachtet und die Objektposition des abgebildeten Objekts in der Transmitter-Kamera 116 nach Entfernen des Retroreflektors 122 und temporärem Blockieren des Laserstrahls 130 bestimmt, gefolgt vom Umrechnen der Objektposition in die Motorenposition in Schritt S206.

In Figur 11 ist ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur Bestimmung einer Objektentfernung nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. In Schritt S300 wird ein Zeitpunkt einer Emission eines Laserpulses auf ein Objekt durch einen Ereignis-Zeitmesser bestimmt. Danach wird in Schritt S302 ein Zeitpunkt bei Detektion eines Photons, insbesondere des vom zu vermessenden Objekt zurückreflektierten Laserpulses durch einen zugeordneten Detektor 218 bestimmt.

Anschließend werden die Zeitpunkte auf eine Auswerteeinheit, insbesondere einen Steuerrechner 512 übertragen, Schritt S304. Schließlich werden die Messwerte von Emission und Detektion korreliert. In Figur 12 ist ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur Datenauswertung nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. In Schritt S400 wird die Vorrichtung 500 mittels Entfernungsmessung zu einem Objekt mit bekannter Entfernung kalibriert. In Schritt S402 werden Zeitpunkte des Aussendens von Laserpulsen und des Empfangene von Signalen korreliert. Danach wird in Schritt S404 eine erwartete Laufzeit zu einem zu untersuchenden Objekt zu einer daran gemessenen Laufzeit verglichen, gefolgt vom Extrahieren von korrelierten Daten in Schritt S406. Schließlich wird in Schritt S408 eine Mittelung der Entfernungsmessungen an dem zu untersuchenden Objekt durchgeführt.

Laser

Laserkollimator

Startdiode

Spiegel

Energieregeleinheit

Strahlteiler

Energiekontrolleinheit

Spiegel

Spiegel

Spiegel

Blende

Spiegel

Strahlaufweitungseinheit Beweglicher Spiegel T ransm itterkam era Strahlteiler

T ransm itterteleskop/Strahlaufweiter

Retroreflektor

Trägerplatte

Breitseite

Laserstrahl

Transmitteroptik

Empfangsteleskop

Primärspiegel

Auskoppelspiegel

Strahlteiler

Spiegel

Trackingkamera

Relais-Optikeinheit

Bandpassfilter optische Faser

Detektor

Trägerplatte einfallender Lichtstrahl

Empfangsoptik

Vorrichtung

Azimutachse

Drehfuß

Elevationsachse

Drehwelle

Teleskopmontierung

Steuerrechner

Steuerelektronik Antennenträger Trägereinheit (mit Breadboards) Basissegment Optiksegment Abdeckung Abdeckung Abdeckung Abdeckung Sichtfenster